Tags: Наука

Гена

Углекислый газ

Почему легко отрицать антропогенное глобальное потепление — отчасти потому что людям трудно понимать сложные концепции. У большинства из нас нет такой врождённой черты, мы прирожденные охотники-собиратели, так что в основном охотимся на и собираем то, что нам предоставляет современная городская среда, не особенно задумываясь о том, как же ротор поля градуирует себя вдоль спина наподобие дивергенции.

Вот, например, людям трудно поверить, что газ, находящийся в атмосфере в почти следовых количествах является ключевым парниковым газом и увеличение его концентрации скажем в на 17% это уже очень значительный эффект. Потому что во-первых даже сама единица измерения концентрации ppmv - объёмные части на миллион (по сухому воздуху) интуитивно кажется такой крохотной, что просто трудно поверить в значительный эффект. Ну было 355 частей на миллион 30 лет назад, ну стало 415 частей на миллион, увеличение на жалкие 60 частей на миллион, делов-то. Это же всё равно 0.0415%. Как так может быть, что такая огромная атмосфера, состаящая на 99% из смеси симметричных двухтомных молекул азота, кислорода и немножко атомарного аргона может не оказывать значительного парникового эффекта, а какой-то там углекислый газ, которого не видно не слышно и какие-то ничтожные части на миллион, является определяющим?

Впрочем, начнем с того, что мало кто из непонимающих суть парникового эффекта в курсе, что атмосфера по большей части состоит из азота (а так же задумается над симметричностью молекул и их разными электродинамическими и акантовыми свойствами):
N₂ — 78.08%
O₂ — 20.95%
Ar — 0.934%
CO₂ — 0.0415% (и растет в реальном времени ~1 ppm в 3-4 месяца - катастрофическая скорость).
Ну и там немножко других, включая высокопотентные парниковые газы типа метана или фреонов - в общем случае все несимметричные молекулы.
(Сумма может слегка не сходиться в 100% в силу определенных неточностей и разницы концентраций отдельных компонентов воздуха на несколько порядков величин и разного рода неопределенностей, это нормально.)

Естественно, вода тоже парниковый газ и второй продукт горения углеводородов, но она в атмосфере долго не живет, и тут нам повезло, потому что роса выпадает легко и непринужденно и атмосфера легко саморегулирует содержание газообразной воды и накопить систематические излишки воды в воздухе, в отличие от долгоживущих компонентов воздуха, проблематично.

В отсутвии парниковых газов (да и вообще атмосферы) средняя температура планеты (поверхности) была бы на уровне -15°С (простая задачка по радиационному теплообмену на уровне первого курса физфака). А по факту она у нас сидит где-то на +15°С (и очень хотелось бы, чтобы так оставалось как можно дольше).

И вот что ты будешь делать с такими людьми - идология им не позволяет согласиться с тем, что жечь ископаемое топливо это плохо; а понять физику с полпинка, ума не хватает, даже основы. Потому что неинтуитивно. Признать, что ты дурак и не хватает ума понять суть вообще невозможно, потому что эго — ведь тогда ещё придется признать авторитет экспертов и, о божэ, делать как они говорят. А выучить физику — во-первых сложо, во-вторых эго, в-третьих заговор учёных (ученые, учителя и написанные ими учебники — врут) и идеология не дает даже поинтересоваться.

И хотя повседневный опыт вроде и говорит о том, что если в напитке, таком как чай, частицы, определяющие его цвет, запах и вкус находятся в кипятке в аналогичных (если не меньших) количествах, чем углекислый газ в атмосфере - но мы прекрасно можем отличить чай от простого кипятка. И, если мы удваиваеваем содержание этих частиц, то опять же очень легко можем заметить, что чай стал темнее и крепче - но это всё ещё очень маленькое "незначительное" содержание частиц.

И вода в данном случае такой же инертный носитель как бы незначительной примеси, которая целиком определяет свойства чая как напитка; как и атмосфера является инертным носителем парниковых газов, которые почти целиком определяют её нагревающие (задерживающие солнечное излучение) свойства. Эффект, который мы видим от молекул азота и кислорода это рэлеевское рассеивание - голубой цвет неба и оранжевые закаты вместо чёрной пустоты космоса. А все основные дела с захватом и перезилучением солнечного излучения делают парниковые газы.

Или вот ещё пример - если кто-то пернул в лифте: пердежа там миллилитров 50 на 8-10 кубометров объёма кабины, в этих 50 миллилитрах вонючего компонента (сероводорода в основном) порядка 1 процента, а в общем на объём лифта это сугубо следовое количество, очевидно даже меньше, чем углекислого газа в атмосфере. Но уже через 10-15 секунд во всех углах лифта становится понятно, что воздух испорчен. Очень маленькая концентрация сероводорода однозначно определяет качество воздуха в лифте и, если она критически увеличивается, начинает вонять. Интуитвно - да. Соответствует повседневному опыту - тоже да.

Переносим линию рассуждений на атмосферу планеты — всё, логика утрачивается. Хотя, казалось бы, аналогия прямая. Мы так же своим потреблением выделяем (в данном случае потреблением энергии, мяса, молока и других животных продуктов) условно небольшое в сравнении с объёмом атмосферы, "пердим" в лифте и портим общий воздух. И надо бы постараться пердеть как можно меньше, переходить на источники энергии, которые не производят парниковые газы, чтобы не портить воздух. Уменьшать зависимость систем производства и поставок продовольствия от животноводства. Но тут у нас резко отрицание взаимосвязи. Парадокс!

А безуглеродные источники энергии и соответствующие методы ведения хозяйствования, они есть и уже давно, они надежные и эффективные; препятствия к переходу на них преимущественно политические и социальные. В том числе отрицание.

P.S. На всякий случай. Все вулканы планеты выбрасывают в среднем ≈280 мегатонн эквивалентного углекислого газа в год, человеческая цивилизация — больше 40 гигатонн (в 140-150 раз больше) преимущественно как следствие сжигания ископаемого топлива. Люди являются доминирующим источником избыточных парниковых в атмосфере уже больше ста лет.

мозг

Униполярный мотор с левитирующим ротором

Когда работа действительно интересная :-)
Надо было выполнить демонстрацию левитации магнита над высокотемпературным сверхпроводником, но я дополнил демонстрацию, и превратил систему в униполярный мотор, пропустив радиальный ток от батарейки через магнитый диск. Получилось довольно круто, не то что всякие батарейки с шурупами!



А ещё недавно вышла наша статья в журнале Superconducting Science and Technology, A superconducting homopolar motor and generator—new approaches.

Пожалуй, самая крутая статья за всю мою скромную научную карьеру, и включает в себя все 4 года работы на моей нынешней работе. В частной компании публикация дело не всегда простое и далеко не всегда так уж приветствуется, так что само по себе это большое достижение, не говоря уже о том, что мы построили и протестировали довольно большой сверхпроводниковый мотор! :-)
Гена

Ветер, алюминий и дураки

Скучная арифметика.

В Китае самая большая установленная номинальная мощность ветровых турбин в мире (115 ГВт по состоянию на декабрь 2014). Китай увеличил установленную мощность ветровых турбин примерно в 100 раз за последние 10 лет. Ветровые турбины в Китае выработали в 2014 году 153 ТВт-ч или 2.78% национального производства энергии, работая примерно в половину проектной производительности. У Китая есть две офф-шорные фермы (установленные в море) общей номинальной мощностью 252 МВт.

США идёт на втором месте и имеет 65.6 ГВт номинальной установленной мощности ветровых турбин и генерирует 182 ТВт-ч или 4.4% общего производства энергии, делая максимум возможной энергии из своих ветряков.
Энергопотребление алюминиевой промышленности Китая самое экономное в мире и расходует 13,6 МВт-ч (по состоянию на январь 2015) переменного тока на тонну первичного алюминия. Это ниже, чем в среднем в мире (14.3 МВт-ч на тонну). За последние 10 лет Китай снизил потребление энергии в алюминиевой промышленности с 14.8 до 13.6 МВт-ч на тонну. Китай - крупнейший производитель алюминия в мире и тратит примерно 375 ТВт-ч в год (6.8% всей генерируемой электроэнергии) на производство алюминия.

Австралия - маленькая страна, имеет 3.8 ГВт ветряков и в 2013 году сделала 14.8% энергии из ветра и других возобновляемых источников. Австралия 7-й производитель алюминия в мире и тратит примерно 12.5% производимой энергии на его производство. Северная Америка тратит на производство алюминия 67.9 ТВт-ч в год, производя 182 ТВт-ч из ветра.

Ветроэнергетика технологически-развитых стран уже на сегодняшний день с избытком обеспечивает или может при необходимости легко обеспечить производство алюминия - самого энергоёмкого (примерно в 22 раза более энергоёмкое, чем производство стали) и одного из самых востребованных материалов. Ветряк живёт примерно 25 лет.

Если ещё какой-то дурак скажет мне, что ветровая энергетика не производит энергии, необходимой для производства самих ветряков, то он дурак. И стоит для меня в одном ряду с креационистами.

http://www.world-aluminium.org/
http://www.gwec.net/
http://reneweconomy.com.au/nem-watch
Гена

Джинсы



Вот кстати пресловутые джинсы для спортсмена :) Вполне себе позволяют лежать на полу и подключать коммуникационный кабель к прибору в труднодоступном месте.

На работе мы закончили приёмку и первый пуск большого сверхпроводящего магнита, который нам построили в Новой Зеландии. Да, кстати, с месяц назад я ездил в Велингтон на его финальное тестирование в цехе у производителя. На базе этого магнита будет построен тестовый униполярный двигатель на 200 кВт с теми самыми жидкометаллическими токосъёмниками, которыми я периодически проедаю вам плешь.

Если честно, до сих пор не верится как далеко и быстро мы смогли зайти, от идеи до реализации. Ещё полтора года назад у нас не было ни опыта разработки ни самого токосъёмника. А сейчас я уже готовлю высокоамперные кабели для подключения источника тока к двигателю. Очень надеюсь, что будет круто работать, как задумано и рассчитано, и можно будет сделать красивые презентации на последующих сверхпроводящих конференциях! Одно дело показывать картинки, а другое - работающий тестовый мотор! Я, как всё таки учёный, заинтересован не только в коммерческой стороне вопроса, хотя конечно заинтересован, но и в интересных научных и технических результатах.
Чистая комната

Гордости пост :-)

Guina R&D has successfully completed a series of tests of its first ever Sodium-Potassium based Liquid Metal Current Collector system. The systems is rated at 20,000 A, 3600 RPM and has a resistance of about 300 nOhm. It is equipped with water cooling system, capable of dissipating up to 5 kW of heat energy. The system has an outstanding current carrying capacity at a surface speed of 75 m/s, which was achieved during the tests.
megamind

Ещё немного велосипедной физики

Сегодня я хочу немного поговорить о ключевой разнице между классическим шоссейным и разделочным (ТТ) велосипедами. Как я успел заметить, в ходу есть довольно фундаментальное непонимание откуда и что берётся на этих двух типах велосипедов. На фотке ниже изображены оба моих коника, тут очень наглядно видна разница в геометрии:



Руль и подлокотники аэробаров у ТТ существенно ниже, колёса посажены близко (заднее колесо для улучшенной аэродинамики "врезано" в раму, чтобы избежать дополнительной кромки и заставить колесо и раму работать как одно целоые), рама с совершенно параллельной земле горизонтальной трубой. У шоссера рама чуть-чуть скошенная, это даёт возможно немного больше гасить вибрации. При этом одной высоте, хотя угол у них немножко разный в связи с разными высотами рулей — с седла не нужно соскальзывать вперёд, но и так, чтобы оно разрубало нас пополам тоже не нужно. Ну и у шоссера рама обычная, с круглыми трубами, без особых аэродинамических профилей, т.к. они здесь не особо важны. Хотя карбоновые шоссеры с такими рамами и существуют, у меня он дешёвый и "классический", но при этом очень лёгкий для алюминия — круглые трубы всегда наиболее лёгкие при заданной прочности. У ТТ же вся рама состоит из вытянутых вдоль линии движения (стреловидных) форм, у него острый плоский руль и спрятанные тормоза.

Итак, посадки разные, разные, профили рам разные, даже устройство в значительной степени разное. При этом на высокой скорости они ведут себя следующим образом (см. график ниже):



Это результат моих полевых тестов, здесь видно сколько я выкладывал на каждом из великов мощности и с какой скоростью при этом ехал. Обратите внимание на 300 Вт. Шоссер: 37.5 км/ч, разделочник: 43 км/ч!!! Разница мягко говоря огромная. Так почему же тогда не выкинуть нафиг шоссер и не ездить всегда на ТТ, раз он на столько быстрее?

Обратите внимание на сколько больше мощности я смог выложить максимально сидя на шоссере во время полевого теста: больше 345 Вт больше трёх минут подряд! И да, физиологически для моего уровня подготовки это уже крайне тяжело, на лице оскал, пот льётся градом, лёгкие горят огнём, мышцы от напряжения болят со всё нарастающим жжением. На ТТ очень схожие ощущения уже на 300 Вт. Еду я конечно заметно быстрее, но глаза от напряжения при этом лезут из орбит и больше я добавить при таком ступенчатом тесте уже не могу, после 300 Вт мне надо остановиться и отдохнуть. Вот в этом ключевая разница.

На ТТ мы выдаём меньше мощности на педалях, но за счёт сниженного коэффициента сопротивления (низкая посадка и аэродинамическая рама) едем быстрее. На шоссере мы выдаём почти максимум возможной для нас веломощности. Но сопротивление выше и едем медленнее, причём из-за того, что на скорости сила сопротивления воздуха квадратична по скорости, а мощность, необходимая для преодоления этого сопротивления пропорциональна кубу скорости: P ~ v3, чем быстрее мы едем, тем сильнее себя замедляем. Поэтому если аэродинамика плохая, то как бы велосипедист ни пыжился и не выдвала любые бешенные ватты, скорость будет прибваляться на считанные доли км/ч и всё меньше и меньше, чем быстрее он едет. Аэродинамическое сопротивление съедает все ватты, а скорости взамен не даёт.

На ТТ ситуация такова, что сила сопротивления так же квадратична по скорости F ~ v2, но за счёт сниженного коэффициента пропорциональности (коэффициент сопротивления) между ними сила оказывается на равных с шоссейником скоростях заметно ниже, потому и кривая для ТТ на графике сравнения мощность-скорость, лежит куда как ниже кривой для шоссера. За этот пониженный коэффициент сопротивления мы платим пониженным выходом мощности: велосипедист сидит низко, согнут пополам, руки сведены вместе: т.е. грудная клетка сжата, внутренние органы сжаты, задняя поверхность бедра растянута, поясница несколько напряжена, коленки упираются в локти. На высокой скорости такая посадка длительное время ценой пониженной мощности оправдана.

Но что происходит, когда мы едем на шоссере в групе? Большую часть времени мы сидим на колесе у вереди едущего, сидим высоко тратим какие-нибудь жалкие 130-140 Вт мощности и при этом топим на скорости порядка 38-40 км/ч, ведя неспешные беседы. Когда приходит пора становиться в голову группы, мы пригибаемся, садясь в шоссерную аэропозицию и выдаём короткое время лидирования, скажем 330-350 Вт мощности. Физиологически это ощущается легче или так же, как те же 280-300 Вт на разделочнике. И, отработав смену, уходим отдыхать в хвост - поднимаемся, расправляем лёгкие, дышим своодно и легко, снова скидывая интенсивность работы в два раза. В большой группе пики мощности приходится выдавать 10-20% времени, а всё остальное время ехать на сниженной мощности, оставляя задачу ломать воздух тому, кто в данный момент пашет впереди. Так работает "каруселька" в пелотоне на плоских участках трассы. Конечно, аэродинамичность рамы, аэропрофили, аэроколёса, могут сэкономить немного мощности, но в целом тут это не на столько критично, особенно на очень длинных дистанциях и умеренных средних скоростях.

Что случается когда мы подъезжаем к горе ощутимого уклона и высоты? Скорость естественно снижается до такой, при которой аэродинамическое сопротивление становится крайне малым (скажем, ~10-20 км/ч в зависимости от градиента) а основным источником сопротивления выступает наш общий с велосипедом вес. И в этом случае чем больше мощности мы выдаём, тем быстрее едем в гору. Всё не кубично, а линейно. Этого псевдо-релятивисского эффекта бешенного увеличения сопротивления при увеличении скорости, который во всю работает на больших скоростях, тут нет. И вот тут надо сесть высоко, комфортно, раскрыть максимально лёгкие и начать выдавать высокую мощность (скажем 330 Вт в среднем на 10 минутном восхождении), пока не заедете в гору. Тут важно держаться в своей группе, не остатать от неё на восхождении, иначе в одного на плоскаче слаженную группу уже будет не догнать! На ТТ такой высоты посадки в принципе нет, разве что взяться руками за подлокотники аэробаров — и то будет некомфортно, т.к. узко. Даже на боковых ручках в норме высота как на дропах у шоссера, кроме того ТТ-рули обычно ещё и уже, так что даже в позиции на ручках так свободно, как на шоссере руки не расставить, лёгкие не раскрыть.

Т.е. даже если поставить на ТТ кассету и систему, обеспечивающие пониженные передачи, вместо исключительно типичных силовых, на восхождениях ТТ-велосипед совсем не помощник, при езде в группе тоже не очень. На нём высоко и комфортно не сесть, если он реально хорошо подогнан под быструю одиночную езду по плоским трассам.

Итак специализации велосипедов понятны и они не слишком пересекаются. Кроме того, пресловутый праметры FTP (часовой функциональный порог мощности) при езде на шоссере и при езде на ТТ велосипеде будут разными, причём на шоссере он будет скорее всего на 10-20 % выше. А если ФТП выдавать дома на трейнере или велотренажёре, на максимально высокой и свободной посадке, то, я полагаю, он будет выше и ФТП на шоссере в реальных полевых условиях. Это очень фундаментальный момент. Велоспорт это всегда компромисс между физиологией спортсмена, общей массой снаряда и аэродинамикой и задача для каждого конкретного типа езды найти оптимум.

Но, понятно, что на ТТ просто так быстро (и быстрее, чем на шоссере) при одиночной езде не поедешь. Во-первых надо быть очень худым. Не просто лёгким, это не столько вопрос восхождений, а именно худым, тонким, чтобы минимзировать лобовую площадь. Жирные бока, толстые руки, огромная жопа и ляжки — всё это полностью убивает любую аэродинамику от рамы и аэрооборудования на корню. Даже если вам удалось хорошо прорезать воздух сидя на эаробарах, бока и ляжки будут парусить и съедят всю выгоду. Кроме этого, толстый живот не даёт сесть достаточно низко, т.к. жир вдавливатся внутрь, создаёт давление на лёгкие и внутренние органы, в результате чего комфорт снижается до такого критического уровня, когда мощность падает до невероятно-низкого уровня. Скорость падаает и в итоге бедолага, решившийся ехать на ТТ-велосипеде мучается, страдет и плетётся на средней скорости 28-29 км/ч, в итоге не вытерпев распрямлятся, переходя с баров на боковые ручки. Никакая аэродинамика, никакие аэроколёса и аэрошлем тут вообще не помогут: уровень коффорта езды и управляемость они снижают, стоят космических денег, а в итоге едешь медленно и некомфортно, т.к. просто не готов к такому. И выглядит это печально и грустно... Кроме этого нужна хорошая растяжка, без неё вообще никуда.

С другой стороны, несмотря на то, что субъективно тяжесть от пониженной мощности при правильной езде на ТТ ощущается так же, как и от повышенной на шоссере, по факту энергии тратишь всё же меньше, причём ЗНАЧИТЕЛЬНО.



Тут разница даже существеннее, чем между скоростями при равной мощности. Поэтому, кроме очевидного — очень быстрых плоских разделок от 10 до 40 км, ТТ и является идеальным великом для достаточно быстрой одиночной езды на длинные дистанции и для триатлона. Т.к. кроме повышенной скорости, он отличается ещё и повышенной экономичностью (т.е. расходом килокалорий на 1 км пути), что в случае того же триатлона крайне важно. Мы все знаем, на какой вес золота на длинных дистанциях оказываются углеводы :) ТТ-велосипед в умелых ногах сохранит вам немного гликогена для грядущего бегового этапа.

Какие из всего этого делать выводы, решать вам — дорогие триатлеты и велосипедисты, я только выложил кое какие рассуждения и опытные данные ;)

Те, кто дочитал до конца — молодец. Кто дочитал и разобрался — молодец вдвойне. Отмечаемся в комментах! :)
Гена

Редакторские дела и размышления об удовлетворённости

Мне внезапно так понравилось работать техническим редактором! :) Прямо как Лев Толстой любил детей, так же и я люблю редактором работать. Почти так же, как кататься на велосипеде и программировать на Лабвью :)

Написал этот пост и тут же задумался о том, что такое удовлетворённость.

На сколько субъективными и предвзятыми и неправильными могут быть оценки собственного бытия, если совершать их на неблагоприятном эмоциональном фоне. Одна и та же ситуация, например объективно вполне удовлетворительная, может восприниматься как мучение и как невероятная радость или просто нейтрально. При том, что фактическое положение дел не меняется. Но личное восприятие может существенно менять искажать восприятие внешних обстоятельств и уже косвенно влиять на фактическое положение дел, т.к. определяет поведение и принятие решений. Это я к тому, что были периоды, когда мне люто не нравилась моя работа и моя профессия. И это вгоняло меня в расстройство. На других местах работы и в несколько в других ситуациях, но по сути снаружи вполне нормально всё было и тогда.

Вообще излишне приподнятое настроение так же плохо, как и излишне раздавленное — верный путь к потере продуктивности и в общем повышению уровня личных страданий. Я нашёл, что если придерживаться нейтрального или слабо-позитивного отношения к проявлениям окружающей среды, это даёт максимум удволетворения от отведённого времени и помогает действовать максимально продуктивно в смысле получения полезностей и ништяков. Если выбираешь не слишком сильное стремление к ништякам и не слишком большую радость от успехов и не слишком большое огорчение от неудач, как основную жизненную стратегию, то когда это входит в привычку, жить становится счастливее, а ништяки, полезности и успехи случаются как-то чаще. Или, по-крайней мере, так кажется в силу субъективного восприятия.

Невозможность получить ништяки или их утрата не приносят сильного длительного огорчения, а сами ништяки приносят удовлетворение от своей полезной функции, а не просто временную радость от их обретения. Возникает спонтанное удовлетворение тем, что имеешь. Так спокойнее, а на спокойную голову со свободными мыслительными ресурсами, не занятыми обдумыванием своей нелёгкой доли или гневом, легче принимать правильные решения, адекватные текущей ситуации и сложнее ошибаться.
Гена

День российской науки!!!

Ну что же, всех коллег с профессиональным праздником! Нет мракобесию, предубеждениям, ложным взглядам, а так же высокомерию и напыщенности. Да научной истине, реалистичному и трезвому взгляду на вещи, ясности мышления, а так же радости приносить пользу и делиться своими знаниями. Как скромный российский ученый тоже принимаю поздравления ;)
Гена

Базовые концепции

1. Атомная гипотеза: Всё вокруг состоит из атомов - маленьких частиц находящихся в непрерывном вечном движении, притягивающихся, когда они находятся на малом расстоянии, но отталкивающихся при дальнейшем сжатии.

2. Религиозная догма: Всё вокруг создал Бог, на всё его воля, пути его неисповедимы, его самого никак нельзя обнаружить, но следует верить в то, что он существует.

Если бы в одни прекрасный день всё знание на земле было бы уничтожено и вы могли передать только одну из двух вышеозначенных концепций, какую бы вы выбрали и почему? Если ни одну из двух, то какую бы прдложили сами?

Я, конечно, вместе с Ричардом Фейнманом, передал бы молекулярную гипотезу.